JP3171983B2 - 光受信装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速光通信に用いられ
る光受信装置に係り、特に高速光信号を光デマルチプレ
クサを用いて低速光信号に変換してから光検波器で電気
信号に戻す光受信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】１０Ｇbps 超といった伝送速度の高速光
通信を行う場合、主として電子回路素子の高速性の限界
により、受信側において光伝送路を経て送られてきた高
速変調された光信号を電気信号に直接戻して復号するこ
とは困難である。この問題を克服するため、光デマルチ
プレクサを用いて、フレーム単位でシリアルに入力され
る高速変調された光信号をフレーム単位でパラレルに出
力される複数の低速変調された光信号に直並列変換して
から、光検波器で電気信号に戻す方法が知られている。

【０００３】光デマルチプレクサの具体的な実現法は、
電気光学効果による光スイッチを用いたものや非線形効
果を用いたものなどがある。いずれの光デマルチプレク
サにおいても、光スイッチを入力光信号に同期して切り
換えるための同期信号が必要となるが、この同期信号の
周波数が入力光信号の繰り返し周波数よりも低くてよい
ことが光デマルチプレクサを用いた場合の特徴の一つで
ある。光デマルチプレクサの動作に必要な同期信号は、
例えば光デマルチプレクサの出力側に配置された複数の
光検波器の一つの出力からタイミング抽出を行って得ら
れる。この方法は、R.S.Tucker氏らにより提案され、例
えばElectronics Letters Vol.23,No.5,pp.208,1987 に
詳しく述べられている。

【０００４】光デマルチプレクサを用いた光受信装置の
従来の構成例を図７に示す。この例によると、入力の高
速光信号は出力切換型の光スイッチ１０２−１〜１０２
−７をツリー状に３段に配置して構成された光デマルチ
プレクサ１０１によって、速度が１／８の８個の低速光
信号に直並列変換される。光デマルチプレクサ１０１か
ら出力される８個の低速光信号は、光検波器１０３−１
〜１０３−８により各々検波されて各ビットが復号され
ることにより、８ビットパラレルの出力信号が得られ
る。光デマルチプレクサ１０１への同期信号は、同期再
生回路１０５から供給される。

【０００５】この図７の光受信装置によると、例えば６
４Ｇbps の光信号でも８Ｇbps 用の回路素子で復号がで
きるので、高速通信システムを実現することが技術的あ
るいはコスト的に容易となる。

【０００６】ところで、シリアルに入力される高速信号
を直並列変換してパラレルに出力される低速信号に変換
する際、高速信号のビット列のどの部分を並列データに
変換するかという高速信号の区切りを決めることが重要
である。この高速信号の区切りで挟まれた部分のビット
列（例えば８ビット）を「フレーム」と呼び、区切りを
検出することを「フレーム検出」、低速信号がフレーム
単位でパラレルに出力される状態を「フレーム同期」と
それぞれ呼ぶ。高速信号は一般には低速信号を時間多重
化して得られるため、光デマルチプレクサの出力側に配
置された複数の光検波器のどの出力にフレーム内のどの
ビットの信号が出てくるかが分かれば、受信側において
送信側で多重化を行う前と同じ状態を再現することがで
きる。

【０００７】また、特に高速信号の多重化形式が現在の
ＣＣＩＴＴの規格と同様なバイト多重方式の場合、正し
いフレームを認識することは不可欠となる。しかし、図
７の構成では低速信号がフレーム単位のパラレルデータ
として正しく復号されるかどうかは不確定である。図７
において同期再生回路１０５でタイミング抽出して得ら
れる同期信号のみでは、光検波器１０３−１〜１０３−
８から出力される信号がフレーム内のどのビットに対応
しているかが不明だからである。従って、同期再生のみ
ではフレーム同期をとることはできない。

【０００８】従来より時間多重通信システムでよく使わ
れているフレーム同期は、図８に示すような構成によっ
て実現される。送信側からはフレーム検出用ビットを周
期的に挿入した信号が伝送され、受信側ではそのフレー
ム検出用ビットを基にしてフレーム同期が確立される。

【０００９】図８においては、デマルチプレクサ２０１
から出力されるパラレルデータの一つを監視しているフ
レーム検出回路２０３がフレーム同期を確立できるま
で、クロック再生回路２０２で再生されたクロックを１
ビットずつスキップさせてデマルチプレクサ２０１に供
給する。フレーム検出用信号ビットのパターンによって
は、フレーム検出回路２０３はパラレルデータの複数の
ビットを監視する必要がある。デマルチプレクサ２０１
の出力での複数ビットの組み合わせは、クロックがスキ
ップされる毎にシフトしてゆき（フレーム走査とい
う）、最終的に同一フレーム内のビットの組み合わせが
出力されるようになり、フレーム同期が確立される。

【００１０】図８のシステムでは、デマルチプレクサ２
０１により電気信号の段階で直並列変換を行うため、ク
ロック再生回路２０２では受信される高速信号と同一速
度のクロックが再生され、さらにこのクロックが分周さ
れることによりデマルチプレクサ２０１への同期信号が
再生される。このため上述したフレーム走査のためのク
ロックのスキップが容易であり、またスキップによって
クロック再生が中断されることもない。

【００１１】しかし、高速信号と同一速度のクロックを
再生することは、極めて高速の信号を扱う光受信装置で
は電子回路素子の動作速度の制限から困難である。この
ため図７に示した光受信装置では、入力の光信号と同一
速度のクロックを再生することはせず、光デマルチプレ
クサ１０１を動作させるための同期信号は同期再生回路
１０５により光検波器１０３−８の出力から作られた、
入力の高速信号より低速の信号を用いている。この場合
には、同期信号を１ビットずつスキップさせてもフレー
ム走査によるフレーム同期ができず、さらに同期信号を
変化させると同期再生が一旦外れてしまい、受信動作が
乱れるという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、光デ
マルチプレクサを用いて光信号を直並列変換する従来の
光受信装置では、光検波器から得られた低速信号より光
デマルチプレクサを動作させるための同期信号を単純に
再生しているため、フレーム同期をとることが難しいと
いう問題があった。

【００１３】本発明は、このような従来の問題点を解消
するためになされたもので、光デマルチプレクサを用い
て高速光信号を直並列変換して低速光信号とした後、光
検波器により電気信号として取り出す場合に必要なフレ
ーム同期を容易にとることができる光受信装置を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明による光受信装置は、フレーム単位でシリア
ルに入力される高速光信号を該光信号に同期した同期信
号によってフレーム単位でパラレルに出力される複数の
低速光信号に変換する光直並列変換手段と、前記光直並
列変換手段から出力される複数の低速光信号を検波して
電気信号として出力する複数の光検波手段と、前記光検
波手段の少なくとも一つの出力から前記同期信号を再生
する同期再生手段と、前記光検波手段の少なくとも一つ
の出力からフレームの区切りを検出するフレーム検出手
段と、前記フレーム検出手段の出力に基づいて前記複数
の光検波手段の出力に前記フレーム単位の低速光信号が
出力されるようにするための制御を行うフレーム同期手
段とを備えることを基本的な特徴とする。

【００１５】ここでフレーム同期手段は、(1) 前記フレ
ーム検出手段の出力に基づいて前記同期再生手段から再
生される同期信号の位相を制御する、(2) 前記フレーム
検出手段の出力に基づいて前記光直並列変換手段内を通
過する光信号の位相を制御する、(3) 前記複数の光検波
手段の出力を入力として信号の配列を並び換えるための
マトリクススイッチを前記フレーム検出手段の出力に基
づいて制御する、のいずれかによって前記複数の光検波
手段の出力に前記フレーム単位の低速光信号が出力され
るようにするための制御を行うものとする。

【００１６】

【作用】このように本発明による光受信装置では、複数
の光検波手段の出力にフレーム単位の低速光信号が出力
されるようにするためのフレーム同期が可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００１８】図１は、本発明の第１の実施例による光受
信装置の構成を示す図である。この光受信装置は、光デ
マルチプレクサ１、光検波器３−１〜３−８、同期再生
回路５、フレーム検出回路６およびフレーム同期回路７
からなる。

【００１９】図１においては、入力光信号として１フレ
ームが８ビットで構成されるフレーム単位の高速変調さ
れた光信号Ａ（以下、高速光信号という）がシリアルに
入力される。この入力高速光信号Ａは光直並列変換手段
である１入力８出力の光デマルチプレクサ１により、同
期再生回路５からの同期信号に従って、高速光信号Ａの
情報伝送速度の１／８の速度のフレーム単位でパラレル
に出力される８個の低速変調された光信号（以下、低速
光信号という）に直並列変換される。

【００２０】光デマルチプレクサ１は、出力切換型の光
スイッチ２−１〜２〜７をツリー状に３段に配置して構
成される。入力の高速光信号Ａは、まず該高速光信号Ａ
の情報伝送速度Ｒの１／２の速度の同期信号Ｅで切換え
られる１段目の光スイッチ２−１によって時分割され、
次に光スイッチ２−１の光出力がＲ／４の速度の同期信
号で切換えられる２段目の光スイッチ２−２，２−３に
よりそれぞれ時分割され、さらにＲ／８の速度の同期信
号で切換えられる３段目の光スイッチ２−４〜２−７で
も同様にして光スイッチ２−２，２−３の計４つの光出
力がそれぞれ時分割されることにより、結局８個の光信
号に時分割される。光デマルチプレクサ１の８個の出力
は、光検波器３−１〜３−８により検波される。

【００２１】ここで、各光スイッチ２−１〜２−７を切
換え制御する同期信号が入力の高速光信号Ａに同期して
いないと、光デマルチプレクサ１は正しく時分割（直並
列変換）を行うことができない。この同期を確立するた
めの機能を持つのが同期再生回路５である。

【００２２】図２は、同期再生回路５の構成を示す図で
あり、図３はその動作を説明するためのタイムチャート
である。図２の同期再生回路５は位相比較器１１、スイ
ッチ１２、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３、帯域制限回
路１４、二逓倍器１５，１６からなる。位相比較器１
１、ＶＣＯ１３および帯域制限回路１４は、位相同期ル
ープ（ＰＬＬ）を構成しており、光検波器３−１〜３−
８の少なくとも一つの出力、この例では光検波器３−８
の出力とＶＣＯ１３の出力を位相比較器１１で比較し
て、両信号の位相差が零となるように、すなわち両信号
が位相同期するようにＶＣＯ１３の発振位相を制御す
る。これによりＶＣＯ１３から速度Ｒ／８の同期信号Ｃ
が得られ、この同期信号Ｃの周波数をさらに二逓倍器１
５，１６で順次逓倍することにより、速度Ｒ／４の同期
信号Ｄおよび速度Ｒ／２の同期信号Ｅが得られる。スイ
ッチ１２は、後述するように位相同期ループをオン／オ
フするためのものである。

【００２３】この同期再生回路５から出力される同期信
号Ｃ，Ｄ，Ｅによって光デマルチプレクサ１における光
スイッチ２−１〜２−７を切換え制御することにより、
光検波器３−１〜３−８より並列化されたデータ信号が
得られる。但し、同期再生回路５は光検波器３−８の出
力が１フレームを構成する８ビットの何ビット目の信号
かを区別する機能を持たないため、光検波器３−１〜３
−８の出力にフレーム内のどのビットが出力されるかは
不明である。

【００２４】そこで、本発明ではフレーム検出回路６と
フレーム同期回路７を備えている。フレーム検出回路６
は、光検波器３−８の出力に含まれているフレームの区
切りを示す信号（フレーム信号）を検出してフレーム同
期状態か否かの検出を行い、その状態を示すフレーム同
期ステータス信号を出力する。フレーム同期回路７は、
フレーム検出回路６からのフレーム同期ステータス信号
に基づいて、フレーム同期状態の場合はそれを保持し、
また非同期状態の場合はフレーム同期状態となるよう
に、つまり光検波器３−１〜３−８の出力にフレーム単
位の低速光信号が出力されるように（光検波器３−１の
出力にフレーム内の１番目のビット、光検波器３−２の
出力にフレーム内の２番目のビット、…光検波器３−８
の出力にフレーム内の８番目のビットが現れるよう
に）、同期再生回路５によって再生される同期信号の位
相を制御する。

【００２５】このように本実施例では、フレーム同期回
路７が同期再生回路５で再生される同期信号の位相を変
化させる制御を行うことにより、フレーム同期を実現し
ている。但し、同期再生回路５は図２に示したように位
相同期ループを用いて光検波器３−８の出力に基づくフ
ィードバック制御を行っているため、同期再生回路５が
同期確立している状態において急に同期信号の位相を変
化させた場合、同期再生回路５の同期状態が外れるおそ
れがある。

【００２６】この問題を避けるため、本実施例では図２
に示すようにスイッチ制御入力端子１７と位相制御信号
入力端子１８を設ける。そして、端子１７を介してスイ
ッチ制御信号Ｆを供給してスイッチ１２を開くことによ
り、位相同期ループを位相比較器１１の両入力の位相が
ずれない時間だけオフにしてＶＣＯ１３を自走状態とす
ると共に、端子１８を介してＶＣＯ１３の制御電圧入力
に位相制御信号Ｇを供給して、ＶＣＯ１３の発振位相を
所定量変化させる。これにより位相同期ループの同期外
れを起こすことなく、同期再生回路５から再生される同
期信号の位相を変化させることができる。従って、位相
同期ループの応答時間に対して十分短い時間内に同期信
号の位相制御を行い、その後に位相同期ループの引き込
み動作を再開させるように設計することで、位相同期ル
ープのフィードバック制御を再生信号の位相変化の影響
を受けることなく継続させることができる。

【００２７】なお、本実施例ではＶＣＯ１３の発振位相
を変えることで同期信号の位相制御を行ったが、これが
困難である場合は、例えばＶＣＯ１３の出力側に移相器
を挿入し、この移相器の移相量を制御することで同期信
号の位相を制御するようにしてもよい。

【００２８】上述したフレーム同期回路７がない場合
は、フレーム検出回路６でフレーム同期状態が非同期状
態であることを検出する度に、同期再生回路５をリセッ
トすることによりフレームを探索する手法しかない。こ
の手法では図８のシステムでクロックスキップによりフ
レーム走査を行った場合と異なって、フレーム同期は確
率的になり、最悪の場合には永遠にフレーム同期がとれ
ない。これに対して、本実施例によればフレーム検出回
路６が非同期状態を検出すると、直ちにフレーム同期回
路７で再生される同期信号の位相が制御されることによ
り、フレーム同期状態に移行することができる。

【００２９】図４は、本発明の第２の実施例による光受
信装置を示す図であり、光デマルチプレクサ１を光カプ
ラ４と、開閉型光スイッチ８−１〜８−２４と、同期再
生回路５から供給される速度Ｒ／２，Ｒ／４，Ｒ／８の
同期信号の位相を１８０°シフトする移相シフタ９−１
〜９−３により構成している。この実施例の場合も、同
期再生回路５、フレーム検出回路６およびフレーム同期
回路７を図１の実施例と同様に構成することにより、同
様の効果が得られる。

【００３０】図５は、本発明の第３の実施例による光受
信装置を示す図である。図１、図４に示した第１および
第２の実施例では、フレーム同期回路７によって同期再
生回路５で再生される同期信号の位相を制御することで
フレーム同期を行っている。これに対して、本実施例で
は光デマルチプレクサ１の初段に、入力される高速光信
号の位相を可変する光位相制御器１９を挿入している。

【００３１】そして、フレーム同期回路７によって光位
相制御器１９に加えるバイアス（直流電圧）を調整し
て、入力の高速光信号の位相を調整することにより、フ
レーム同期を実現する。この実施例によると、ＶＣＯの
発振位相を変えるのと異なり、直流電圧の切換えという
簡単な操作でフレーム同期をとる際のフレーム走査がで
きるという利点がある。

【００３２】なお、本実施例によっても、光位相制御器
１９を制御する際には同期再生回路５の同期状態が外れ
るので、第１の実施例で説明したと同様な高速の位相制
御や位相同期ループのオフによる同期再生の休止等の措
置をとる必要がある。

【００３３】また、本実施例では光位相制御器１９を光
デマルチプレクサ１の初段に設けたが、光デマルチプレ
クサ１内のこれ以外の位置、例えば１段目の光スイッチ
２−１と２段目の光スイッチ２−２，２−３との間ある
いは２段目の光スイッチ２−２，２−３と３段目の光ス
イッチ２−４〜２−８との間に光位相制御器を挿入して
もよい。

【００３４】図６は、本発明の第４の実施例による光受
信装置を示す図である。本実施例では、光検波器３−１
〜３−８の出力はマトリクススイッチ２０に入力され
る。マトリクススイッチ２０はいわゆるビット回転回路
であり、フレーム同期回路７からの制御により光検波器
３−１〜３−８からの８ビットの信号の配列を並び換え
て出力することにより、フレーム同期を実現する。マト
リクススイッチ２０は、各入力にバッファメモリを備え
ており、該バッファメモリに保持された前回入力された
信号と、今回入力された信号のいずれかを各入力毎に選
択し、かつそれらをフレーム同期回路８からの制御によ
りビット回転して出力する。これによりマトリクススイ
ッチ２０は、同一フレーム内の８ビットを並列に出力す
る動作、つまりマトリクススイッチ２０の図で上側の出
力端子から順次フレーム内の１番目のビット、２番目の
ビット、…８番目のビットを出力する動作を行う。

【００３５】この実施例によれば、光検波器３−１〜３
−８の出力側のマトリクススイッチ２０を制御すること
でフレーム同期を行うため、フレーム走査においても同
期再生回路５で再生される同期信号の位相を切換える必
要がなく、制御が簡単となるという利点がある。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば電
子回路素子の動作速度の制限から光デマルチプレクサを
用いて高速光信号を低速光信号に直並列変換してから光
検波器を介して復号出力を得る光受信装置において、従
来困難であったフレーム同期を容易に実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光受信装置の構成
図

【図２】同実施例における同期再生回路の具体例を示す
図

【図３】同実施例の動作を説明するためのタイムチャー
ト

【図４】本発明の第２の実施例に係る光受信装置の構成
図

【図５】本発明の第３の実施例に係る光受信装置の構成
図

【図６】本発明の第４の実施例に係る光受信装置の構成
図

【図７】従来の光デマルチプレクサを用いた光受信装置
の構成図

【図８】従来の時間多重通信システムにおけるデマルチ
プレクサを用いた受信装置の構成図

【符号の説明】

１…光デマルチプレクサ ２−１〜２−８…切換型光スイッチ ３−１〜３−８…光検波器 ４…光カプラ ５…同期再生回路 ６…フレーム検出回路 ７…フレーム同期回路 ８−１〜８−２４…開閉型光スイッチ ９−１〜９−３…１８０°位相シフタ １１…位相比較器 １２…ループオン／オフスイッチ １３…電圧制御発振器 １４…帯域制限器 １５，１６…二逓倍器 １７…スイッチ制御信号入力端子 １８…位相制御信号入力端子 １９…光位相制御器 ２０…マトリクススイッチ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/28 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｙ Ｈ０４Ｊ 3/00 3/04 Ｈ０４Ｌ 7/00 7/08 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04J 3/00 - 3/26 H04B 10/00 - 10/28 H04L 7/00 - 7/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フレーム単位でシリアルに入力される高速
   光信号を該光信号に同期した同期信号によってフレーム
   単位でパラレルに出力される複数の低速光信号に変換す
   る光直並列変換手段と、 前記光直並列変換手段から出力される複数の低速光信号
   を検波して電気信号として出力する複数の光検波手段
   と、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力から前記同期信
   号を再生する同期再生手段と、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力からフレームの
   区切りを検出するフレーム検出手段と、 前記フレーム検出手段の出力に基づいて前記複数の光検
   波手段の出力に前記フレーム単位の低速光信号が出力さ
   れるように前記同期再生手段から再生される同期信号の
   位相を制御するフレーム同期手段とを備えたことを特徴
   とする光受信装置。
2. 【請求項２】フレーム単位でシリアルに入力される高速
   光信号を該光信号に同期した同期信号によってフレーム
   単位でパラレルに出力される複数の低速光信号に変換す
   る光直並列変換手段と、 前記光直並列変換手段から出力される複数の低速光信号
   を検波して電気信号として出力する複数の光検波手段
   と、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力から前記同期信
   号を再生する同期再生手段と、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力からフレームの
   区切りを検出するフレーム検出手段と、 前記フレーム検出手段の出力に基づいて前記複数の光検
   波手段の出力に前記フレーム単位の低速光信号が出力さ
   れるように前記光直並列変換手段内を通過する光信号の
   位相を制御するフレーム同期手段とを備えたことを特徴
   とする光受信装置。
3. 【請求項３】フレーム単位でシリアルに入力される高速
   光信号を該光信号に同期した同期信号によってパラレル
   に出力される複数の低速光信号に変換する光直並列変換
   手段と、 前記光直並列変換手段から出力される複数の低速光信号
   を検波して電気信号として出力する複数の光検波手段
   と、 前記複数の光検波手段の出力を入力として信号の配列を
   並び換えるためのマトリクススイッチと、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力から前記同期信
   号を再生する同期再生手段と、 前記光検波手段の少なくとも一つの出力からフレームの
   区切りを検出するフレーム検出手段と、 前記フレーム検出手段の出力に基づいて前記マトリクス
   スイッチの出力に前記フレーム単位の低速光信号が出力
   されるように前記マトリクススイッチを制御するフレー
   ム同期手段とを備えたことを特徴とする光受信装置。